Synthèse de bâtonnets inorganiques piédzoélectriques et mise en forme de fibres composites piézoélectriques

Syntheses of piezoelectric inorganic rods and piezoelectric composite fiber process

• Auteur / Autrice : Sarah Scheffler
• Direction : Philippe Poulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Polymères
• Date : Soutenance le 13/04/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Hélène Delville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Poulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Barrau, Eric Dantras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Textiles intelligents

Composites à fibres

Piézoélectricité

Mots clés libres

Fibre

Piézoélectrique

Composites

Textiles intelligents

Procédé

Filage

Fiber

Piezoelectric

Composite

Smart Textiles

Process

Fiber spinning

Résumé

La conversion piézoélectrique des vibrations mécaniques en énergie électrique est une approche prometteuse pour alimenter l'électronique embarquée et pour développer de nouveaux capteurs. Les matériaux piézoélectriques conventionnels se présentent généralement sous la forme de films minces ou de cristaux fragiles. La mise en œuvre de matériaux piézoélectriques sous forme de fibres flexibles permettrait leur incorporation dans des textiles intelligents et de nouvelles structures fonctionnelles. Les fibres inorganiques ont des propriétés piézoélectriques exceptionnelles mais sont très fragiles. Les fibres polymères organiques sont flexibles mais ne rivalisent pas encore avec les matériaux inorganiques en termes d'efficacité piézoélectrique. Dans ce travail, nous combinons l'efficacité des matériaux inorganiques piézoélectriques, comme inclusions, et la flexibilité de l'alcool polyvinylique, comme matrice. Les fibres composites sont fabriquées par un procédé conventionnel de filage par voie humide. Les propriétés piézoélectriques et mécaniques des films et des fibres composites sont comparées. Les composites sont chargés de particules de BaTi01, de nano-bâtonnets de ZnO dopé ou de de NaNb03. La forme anisotrope du ZnO et du NaNb03 est utilisée pour favoriser le transfert des contraintes mécaniques de la matrice polymère vers les particules piézoélectriques. La synthèse hydrothermale de ZnO dopé au lanthane ou au vanadium et de NaNb03 sont détaillées. L'effet de la fonctionnalisation des particules par l'acide gallique ou de la dopamine sur les propriétés électromécanique est aussi présenté.

Piezoelectric conversion of mechanical vibrations into electrical energy is a promising approach to power embedded electronics and to develop new sensing technologies. Conventional piezoelectric materials are usually under the form of thin films or brittle crystals. Having piezoelectric materials under the form of flexible fibers would allow their implementation in smart textiles and new functional structures. Inorganic fibers have remarkable piezoelectric properties but are highly brittle. Organic polymer fibers are flexible but do not yet compete with inorganic materials in terms of piezoelectric efficiency. In this work, we combine the efficiency of piezoelectric inorganic materials, as inclusions, and the flexibility of poly(vinyl alcohol), as the matrix. Fiber composites are made by a conventional and scalable wet-spinning process. The piezoelectric and mechanical properties of composite films and fibers are compared. The composites are loaded with BaTi01 particles, doped ZnO or NaNb01 nanowires. The anisotropie shape of ZnO and NaNb01 is used to promote the mechanical stress transfer from the polymer matrix to the piezoelectric particles. The hydrothermal syntheses of doped ZnO with lanthanum or vanadium and NaNb01 are detailed. The effect of gallic acid and dopamine coatings onto the particles on the electromechanical properties are also presented.